蠕变、应力腐蚀、氢脆.ppt

应力腐蚀 腐蚀 腐蚀疲劳 氢脆 蠕变 1 应力腐蚀 0应力腐蚀现象 1应力腐蚀定义 2应力腐蚀特征 3应力腐蚀的影响因素 4应力腐蚀的防止措施 5应力腐蚀抗力指标及测试方法 2 0应力腐蚀现象 第一次世界大战期间，用 H70经过深冲成型的 黄铜弹壳，在战场上出现大量破裂现象。经研 究表明，经冲压加工的黄铜弹壳内存在残余应 力。在战场含氨气或二硫化按等介质，产生应 力腐蚀破裂或季节裂纹。这个问题通过 240- 260 退火，消除残余应力来解决。 3 0.应力腐蚀现象 SCC在石油、化工、航空、原子能行业中都受 到广泛重视，如发动机厂中的汽轮机叶片、钢 结构桥梁、输气输油管道、飞机零部件。 1967年 12月，美国西弗吉尼亚州和俄亥俄州之 间的俄亥俄大桥突然倒塌，死 46人。事故调查 结果就是因为应力 +大气中微 H2S导致钢梁产生 应力腐蚀所致。 4 1应力腐蚀定义 应力腐蚀 破坏：机器 零件受腐蚀介质和静应力 联合作用而失效的现象。 应力腐蚀断裂（ stress corrosion cracking）： （ SCC） 金属在应力和特定化学介质共同作用 下，经过一段时间后所产生低应力脆断现象。 应力腐蚀开裂是危害性最大的局部腐蚀之一， 在腐蚀过程中，若有微裂纹形成，其扩展速度 比其他类型的局部腐蚀要快几个数量级。 5 1应力腐蚀定义 6 1应力腐蚀定义 危害：缓和的介质 +较小的应力 1.导致应力腐蚀破坏的介质为不腐蚀或轻微腐 蚀。 2.导致应力腐蚀破坏的应力为极小应力 发生应力腐蚀的温度一般在 50-300 7 1应力腐蚀定义 8 2应力腐蚀特征 在拉应力作用下，金属零件在不同腐蚀介质中 产生的应力腐蚀开裂和扩展有以下共同的特征： （ 1）拉应力是产生应力腐蚀开裂的必要条件。 （ 2）纯金属一般不发生应力腐蚀。 （ 3）仅在一定的合金与介质系统中才能发生应 力腐蚀现象。 （ 4）应力腐蚀是一种延迟断裂。 （ 5）破坏一般是脆性的。没有明显的塑性变形。 9 2应力腐蚀特征 断口形貌特征：应力腐蚀裂纹多起源于表面蚀 坑处，而裂纹传播途径垂直于拉力轴。 应力腐蚀断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产 物（泥状花样），或腐蚀坑。而疲劳断口的表 面，如果是新鲜断口常常较光滑，有光泽。 10 3应力腐蚀的影响因素 11 3应力腐蚀的影响因素 产生应力腐蚀的敏感系统 12 4应力腐蚀的防治措施 4.1降低设计应力 使最大有效应力或应力强度降低到临界值以下。 在常规设计中 名义抗拉强 度或 屈服强度 ，并未 考虑材料中存在缺陷；但在实际中必然有各种 缺陷，比如原有裂纹，微裂纹以及环境因素造 成的裂纹。 13 4应力腐蚀的防治措施 4.2 1.结构设计中尽量 降低最大有效力 ：比如增大 曲率、关键部位厚度、焊接结构域采用对接。 2.采用流线型设计，使结构的应力分布趋于均 匀，避免过高的峰值； 14 4应力腐蚀的防治措施 4.3降低材料对 SCC敏感度 采用合理的热处理方法消除残余应力，或改善 合金的组织结构以降低对 SCC的敏感度：例如 采用退火处理消除内应力，高强度铝合金时效 处理。 15 1.4应力腐蚀的防治措施 4.4合理选材等其他方法 1.采用高镍的奥氏体钢，可提高 SCC的性能 2.采用阴极保护可减缓或者阻止 SCC 16 4应力腐蚀的防治措施 SCC像晶间腐蚀一样，能导致飞机结构临界载 荷破裂失效。 在飞机制造中，安装和装配应力应该消除。材 料应选择较小 SCC倾向的铝合金。必须经过长 期时效处理、延展和消除应力的铝合金。 17 5应力腐蚀抗力指标及测试方法 5.1应力腐蚀临界应力场强度因子 KISCC 试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的 最大应力场强度因子，也称为 应力腐蚀门槛值 。 表示含有宏观裂纹的材料在应力腐蚀条件下的 断裂韧度 。 一定的材料与介质， KISCC值恒定。是金属材料 的一个力学性能指标。 18 5应力腐蚀抗力指标及测试方法 对含有裂纹的金属材料，应力腐蚀条件下的断 裂判据： 当作用于裂纹尖端的初始应力强度因子： 19 5应力腐蚀抗力指标及测试方法 5.2KISCC的测定方法 （ 1） 采用光滑试样 数据分散； 对某些材料可能会给出错误的判断 ； 名义应力不反映裂纹扩展的驱动力，不便于 工程应用。 20 5应力腐蚀抗力指标及测试方法 （ 2） 采用预制裂纹的试样 在不同初始应力强度因子 KIi下，记录到的 破坏 时间 tf随 KIi的下降而大大增长。 最大应力强度因子 KImax和门槛应力强度因子 KIth （ KIscc ） 21 5应力腐蚀抗力指标及测试方法 （ 2） 采用预制裂纹的试样 在 KIth和 KImax之间的区域里，滞后破坏时间 tf一般是由孕育期 tinc和亚临界裂 纹扩展期二者组成。 用 da/dt和 KI给出的裂纹扩展曲线，在典型情况下由三个区域组成 。 滞后断 裂示意图 亚临界裂纹扩展速率 da/dt表征了材料 的另一种应力腐蚀抗力。 孕育期： 裂纹产生前的一段时间，主要是形成 蚀坑（裂纹核心）的过程。 22 5应力腐蚀抗力指标及测试方法 一种钛合金在 3.5%盐水中的破坏时间与初始应 力强度因子的关系 ： 最大应力强度因子 门槛应力强度因子 23 5应力腐蚀抗力指标及测试方法 给定温度、压力和介质中的典型裂纹扩展速率 曲线 在 I区和 区，扩展速率 da/dt与应 力强度因子有很强的关系，但在 区，实际上几乎没有关系（但仍受 温度、压力和环境的影响）。 24 5应力腐蚀抗力指标及测试方法 （ 3） 两类不同的测试方法 恒载试验 ：这是一种 KI不断增大的试验方法， 常用悬臂梁式弯曲试验装置，采用类似三点弯 曲试样。试样一端固定，另一端与一力臂相连， 并由砝码加载。 25 恒位移试验 ：这是一种 KI不断减小的试验方法， 常用一种特殊结构的紧凑拉伸试样，并通过螺 栓自身加载。试验开始时，用螺栓产生一初始 的裂纹张开位移。当裂纹扩展而位移保持恒定 时， 负荷将自动下降 ，从而也使 K值降低，当 K 值下降到 KIth（ KIscc）以下时，裂纹就会基本上 停止扩展。 5应力腐蚀抗力指标及测试方法 26 腐蚀疲劳 1腐蚀疲劳定义 2腐蚀疲劳裂纹形态特征 3腐蚀疲劳的机理 4腐蚀疲劳 S-N曲线 5腐蚀疲劳裂纹扩展模型 6腐蚀疲劳的控制 27 1腐蚀疲劳定义 腐蚀疲劳是：材料在腐蚀介质中承受交变荷载 所产生的疲劳破坏现象。 腐蚀疲劳多存在于传递的推进器、轴、舵、汽 车弹簧、轴、矿山绳索。 从失效的意义上说，腐蚀疲劳和常规疲劳相仿， 同样有工程裂纹萌生和裂纹扩展两类失效问题。 28 2腐蚀疲劳裂纹形态特征 腐蚀疲劳多数是由小孔腐蚀引起的，断口起源 常在孔蚀处、常呈贝壳状，黑白交替分明，中 心处是孔蚀引起的应力集中，然后是光亮的穿 晶断裂区，再就是穿晶断裂与沿晶断裂交替区， 最后是沿晶断裂区。 29 3腐蚀疲劳的机理 蚀孔 -应力集中理论 材料在腐蚀环境中，表面形成许多小孔腐蚀。 虽然蚀孔数量较多，但只有有滑移阶梯、暴露 出新的金属表面的称为 阳极 蚀孔 。点蚀形成过 程使材料表面电位不等，由于 电化学和引力 的 联合作用， 蚀点不断向 金属深处腐蚀 ，产生了 微裂纹 。 30 3腐蚀疲劳的机理 表面膜破坏理论 在氧起主要作用的环境中，低频疲劳时，被破 坏的表面膜有 足够的时间获得修补 ，不形成裂 纹，因此腐蚀疲劳寿命可以很长。 交变应力频率较高时，新暴露的活性点多， 修 补程度小 ，腐蚀疲劳严重。 31 4腐蚀疲劳中的 S N曲线 材料的腐蚀疲劳特性除和介质有关外，还和材 料成分、常规力学性能、试验频率以及抗腐蚀 能力有关。 钢的强度愈高，其腐蚀疲劳的敏感性相对愈大。 32 4腐蚀疲劳中的 S N曲线 在四种不同环境条件下的 S-N曲线 33 5腐蚀疲劳裂纹扩展模型 腐蚀疲劳时疲劳的一种特殊形式。目前工程中 常用的疲劳裂纹扩展速率函数是 Pairs公式。 它建立了应力强度因子和裂纹扩展速率之间的 关系。 34 5腐蚀疲劳裂纹扩展模型 工程中还有一种十分常用的是 Forman模型，这 是考虑了腐蚀疲劳的环境效应。其实是 Pairs公 式的一种修正，其形式为 35 5腐蚀疲劳裂纹扩展模型 在上面两个公式的基础上，借助于试验数据， 进行回归分析后对模型做出了合理的修正。考 虑了介质浓度、加载频率和应力比对腐蚀疲劳 裂纹扩展速率的影响，引入了环境加速因子 Cenc(f,R,D)。 将不同的载荷频率、应力比、介质浓度组合作 为试验条件，对腐蚀疲劳试验过程中记录各种 数据 Cair 36 5腐蚀疲劳裂纹扩展模型 经过七点增量递增多项式拟合进行回归处理， 得到不同试验条件下的疲劳裂纹扩展速率方程。 然后引入环境加速因子 Cenc。 腐蚀疲劳裂纹扩展速率公式可以表示为： 37 6腐蚀疲劳的控制 1.提高材料表面光洁度，镀锌钢丝在海水中的 疲劳寿命得到显著延长 2.使用缓蚀剂 3.阴极保护，广泛用于海洋金属结构物腐蚀疲 劳保护 4.表面处理，通过气渗、喷丸和高强度淬火等 硬化处理，在材料表面形成压应力层。 38 1938年，英国发生了一起飞机失事的空难事故， 造成机毁人亡。调查发现，飞机发动机 主轴断 成两截 ，经过进一步检查，发现在主轴内部有 大量像人的 头发丝那么细的裂纹 。大量 “裂纹 ” 是怎么产生的呢？要怎么才能防止这种裂纹造 成的断裂现象呢？当时正在谢菲尔德大学研究 部工作的中国学者 李薰 通过大量研究工作，在 世界上首次提出的 “发裂 ”是由于钢在冶炼过程 中 混进的氢原子引起的 。 39 氢脆 1氢脆定义 2氢脆分类 3氢脆破坏特点 4氢脆与应力腐蚀的关系 5氢脆的防治措施 40 1氢脆定义 氢脆（ hydrogen embrittlement）是由于氢和应 力的共同作用而导致金属材料产生塑性下降、 断裂或损伤的现象。 从力学性能来看，氢脆有以下表现： 氢对金属材料的强度影响不大，但使 断面收缩 率严重下降 ，疲劳寿命明显缩短，冲击韧性值 显著降低，在低于断裂强度的拉伸应力作用下， 材料经过一段时间后会 突然脆断 。 41 1氢脆定义 在近代工业发展中，大量实践证明，几乎所有 金属材料都有不同程度的氢脆倾向。 氢又是石油化工业中的重要原料和工作介质， 钢材长期和氢接触，不但可能 变脆 ，而且在较 高温度下可能 被氢腐蚀 。 如炼油过程中的一些加氢反应装置 42 2氢脆分类 按照氢的来源可将氢脆分为内部氢脆和环境氢 脆。 （ 1）内部氢脆：材料在使用前内部已含有足够 的氢并导致脆性，它可以是材料在冶炼、热加 工、热处理、焊接、电镀、酸洗等制造过程中 产生的 43 2氢脆分类 电镀中常出现氢脆 严格控制电镀工艺，镀后通过对电镀件长时间 烘烤 ，使游离状的氢得以释放，减轻对镀件产 品的影响。 44 2氢脆分类 环境氢脆 材料原先不含氢或含氢极微，但在有氢的环境 与介质中产生氢脆。这样的环境通常包括： 1）在纯氢气中（有少量水分）由分子氢造成氢 脆 2）由氢化物，如 HF致脆 3）由 H2S致脆 4）高强钢在中性水或潮湿的大气中致脆 45 3氢脆断裂特征 氢蚀 氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基 体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化。 这种氢脆现象的 断裂源产生在工件与高温、高 压氢气相接触的部位 。 宏观断口形貌：呈氧化色，颗粒状；微观：晶 界明显加宽，呈沿晶断裂。 46 3氢脆断裂特征 酸洗及电镀过程中氢进入钢中后常沿晶界处聚 集，导致晶界脆化，形成沿晶断裂。 47 3氢脆断裂特征 白点（发裂） 在重轨钢及大截面锻件中易出现这类氢脆。 钢在冷凝过程中溶解度降低而析出大量氢分子， 在锻造或轧制过程中来不及逸散出去，便聚集 在某些缺陷处而形成氢分子。 氢体积发生急剧膨胀，内压力增大，足以将金 属局部撕裂，而形成裂纹。 48 3氢脆断裂特征 在纵向断面上，裂纹呈现近似圆形或椭圆形的 银白色斑点，故称为白点；在横断面宏观磨片 上，腐蚀后则呈现为毛细裂纹，故称为发裂 49 4氢脆与应力腐蚀的关系 都是由于应力和化学介质共同作用而产生的断 裂现象。 联系：产生应力腐蚀时总伴随着有氢的析出， 而析出的氢又易于形成氢脆。 区别：应力腐蚀为阳极溶解的过程，氢脆为阴 极吸氢的过程 50 5氢脆的防止措施 氢脆一经产生，就消除不了。 （ 1）降低或抑制材料中的氢含量 冶炼时采用干料，或采用真空处理或真空冶炼。 合金结构钢锻件的冷却要缓慢，防止白点。 对氢敏感的钢材酸洗或电镀后，要进行高温加 热。 51 5氢脆的防止措施 （ 2）力学因素 在材料零件设计和加工过程中，应排除各种产 生残余应力的因素，采用表面处理。 金属材料抗氢脆的力学性能指标与抗压力腐蚀 指标一样，设计时应让它小于许用值。 52 5氢脆的防止措施 （ 3）材料因素 高强度金属材料和钛、钼金属易发生氢脆。屈 服强度愈高，氢脆敏感性愈大。因此，对在含 氢介质中服役的高强度钢应有所限制。 含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢的敏感 性低。钢的等级越高，对氢脆越敏感。 53 蠕变 1.蠕变现象 2.蠕变的定义 3.蠕变机理 4.影响蠕变因素及如何控制 5.蠕变实验 54 55 1.蠕变现象 56 在高温蒸汽锅炉、汽轮机、燃料轮机、柴油 机、航空发动机以及化工炼油设备中，很多 机件长期在高温条件下服役。 对这类机件材料，仅考虑常温时静载下力学 性能是不够的。 在高温下载荷持续时间对力学性能有很大影 响。 57 例如，蒸汽锅炉及化工设备中的高温高压管道， 虽曾受应力小于该温度下材料的屈服强度，但 在长期使用中会产生缓慢而连续的屈服变形 （即蠕变现象），使管径逐渐增大。 如设计、选材不当或使用中疏忽，将导致管道 破裂 58 2.蠕变的定义 蠕变（ creep）（缓慢变形） 狭义蠕变：在恒定温度恒定拉伸载荷下，试件 变形随着时间缓慢增大的现象。 59 广义蠕变：在固体收到恒定外力的作用下， 变形随着时间增加而增大的现象。 我们一般所说的蠕变都是狭义蠕变。 60 2.1典型蠕变曲线 蠕变曲线在一定温度和应力作用下，应 变与时间的关系曲线。 典型蠕变曲线分为三个阶段：减速蠕变、恒 速蠕变和加速蠕变。 61 当所加应力或温度条件变化时 (a)给定温度 ,不同应力下的蠕变曲线 (b)给定应力 ,不同温度下的蠕变曲 注：这里的 都是在屈服强度之上的应力 62 2.1.1低温低应力作用 蠕变曲线的形状如同上图 3、 4， T3、 T4所示， 该种蠕变称为 蠕变。 其蠕变表达式为： 其中， ， 为常数 ,S是与材料有关的常数； 对纯金属， S=1。 63 2.1.2较高温度或较高应力作用 蠕变曲线的形状如同上图 2， T2所示 (弹性形变阶段 ) 起始段，在外力作用下，发生瞬时弹性形变， 即应力和应变同步。 64 减速蠕变（ ab段）：该段的蠕变又称 蠕变 稳态蠕变（ bc段）：该段的蠕变又称 蠕变 2.1.2较高温度或较高应力作用 65 加速蠕变（ cd段）：该段的蠕变又称 蠕变 目前尚无一致公认的表达式。 将 蠕变与 蠕变相叠加，则得到这两个阶段 导致的总的蠕变应变表达式： = 0+ t1/3 + t 2.1.2较高温度或较高应力作用 66 蠕变曲线的形状如同上图 1， T1所示。 可以看到，曲线的第一阶段和第二阶段已经变 得难以辨认。 它是一个多因素共同作用的结果，这使得对该 情况下的研究也变得更为复杂。 2.1.3很 高温度或 很 高应力作用 67 2.2蠕变与塑性变形 蠕变与塑性变形的不同之处： 塑性变形通常在应力超过弹性极限后才会出 现。 而蠕变只有应力的作用时间相当长，它在应 力小于弹性极限时也能出现。 68 2.3蠕变与应力松弛 金属在长时高温载荷作用下会产生蠕变，这 对高温下工作并依靠原始弹性变形获得工作 应力的机件，这可能随时间延长，从弹性变 形不断转变为塑性变形，使 工作应力逐渐降 低，以至失效 。 如：高温管道法兰接头的 紧固螺栓 ，用压紧 配合固定于轴上的汽轮机叶轮。 69 应力松弛现象：这种在规定温度和初始压力 条件下，金属材料中应力随时间增加而减少 的现象称为 应力松弛 ，可看做应力不断降低 条件下的蠕变过程 因此，蠕变与应力松弛是既有区别又有联系 的。 70 2.4发生蠕变的温度 不同的材料出现明显的蠕变温度不同 ,其中 : 碳素钢 : TC300500 合金钢 : TC350400 低熔点金属如铅、锡等在室温就出现蠕变 71 2.4发生蠕变的温度 高熔点的陶瓷材料，如 Si3N4在 1100 以上也 不发生明显蠕变 高聚物在室温以下就发生蠕变 不同材料的蠕变温度与其熔点有关，一般大 约为熔点的 0.3-0.7左右 72 3.蠕变机理 3.1蠕变变形机理 3.2蠕变断裂机理 73 3.1蠕变变形机理 蠕变变形机理 金属蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散 及晶界滑动等机理进行的，且随温度及应力的 变化而有所不同。 3.1.1 位错滑移蠕变 3.1.2 扩散蠕变 3.1.3 晶界滑动 74 3.1.1位错滑移蠕变 在蠕变过程中，位错滑移仍然是一种重要的 变形机理。 在常温下，若滑移面上位错运动受阻产生塞 积，滑移便不能继续进行。需更大切应力作用 才能使位错重新运动和增殖。 在高温下，位错可借助外界提供的 热激活能 和 空位扩散 来克服某些短程障碍，从而使变形 不断产生。 75 3.1.1位错滑移蠕变 位错热激活方式有多种，高温下热激活主要 是刃位错的攀移。 刃位错攀移克服障碍的几种模型 76 3.1.1位错滑移蠕变 当塞积群中某一个位错被激活而发生攀移时， 位错源便可能再次开动而放出一个位错，从而 形成 动态回复过程 。 这一过程不断进行，蠕变得以不断发展。 77 3.1.1位错滑移蠕变 蠕变第一阶段： 由于蠕变变形逐渐产生 应变 硬化 ，使位错源开动的阻力及位错滑移阻力增 大，使蠕变速率不断降低。 蠕变第二阶段： 因应变硬化发展，促进 动态 回复 ，使金属不断 软化 。当 应变硬化 与 回复软 化 达到平衡时，蠕变速率为一常数。 78 3.1.2扩散蠕变 扩散蠕变： 是在较高温度 (约比温度 (T Tm)远 超过 0.5)下的一种蠕变变形机理。 它是在 高温下大量原子和空位定向移动造成的 。 在不受外力情况下，原子和空位的移动无方向 性，因而宏观上不显示塑性变形。 但当受拉应力 作用时，在多晶体内 产生不均 匀的应力场 。 79 3.1.2扩散蠕变 受拉应力的晶界 （如 A、 B晶界） 空位浓度增加 ； 受压应力的晶界 (如 C、 D晶界 )， 空位浓度较小 。 因而， 晶体内空位将从受拉 晶界向受压晶界迁移， 原子 则向相反方向流动，致使 晶体逐渐产生伸长的蠕变。 这种现象即称为 扩散蠕变 。 80 3.1.3晶界滑动 在高温条件下内由于晶界上的原子容易扩散， 受力后晶界易产生滑动，也促进蠕变进行。 但晶界滑动对蠕变的贡献并不大，一般为 10 左右。 晶界滑动： 不是独立的蠕变机理。因为晶界滑 动一定要和晶内滑移变形配合进行，否则就不 能维持晶界的连续性，会导致晶界上产生裂纹。 81 3.2蠕变断裂机理 金属材料在长时高温载荷作用下的断裂，大 多为沿晶断裂。 一般认为，这是由于晶界滑动在晶界上形成 裂纹并逐渐扩展而引起的。 实验表明：在不同的应力与温度条件下， 晶 界裂纹的形成方式 有两种： 3.2.1 在三晶粒交会处形成楔形裂纹。 3.2.2 在晶界上由空洞形成晶界裂纹。 82 3.2.1三晶粒交会处形成楔形裂纹 在 高应力 和 较低温度 下，因晶界滑动在三晶粒 交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞相 互连接便形成楔形裂纹。 83 3.2.2 在晶界上由空洞形成晶界裂纹 这是在 较低应力 和 较高温度 下产生的裂纹。 这种裂纹出现在晶界上的突起部位和细小的第 二相质点附近，由于晶界滑动而产生空洞。 84 3.2.2 在晶界上由空洞形成晶界裂纹 图 a晶界滑动 与 晶内滑移带在晶界上交割 形成的 空洞。 图 b晶界上存在第二相质点时，当晶界滑 动受阻而形成的空洞，空洞长大并连接，便形 成裂纹。耐热合金中晶界上形成的空洞照片。 85 3.2.2 在晶界上由空洞形成晶界裂纹 以上两种形成裂纹方式，都有空洞萌生过程。 可见， 晶界空洞 对材料在高温使用温度范围和 寿命是至关重要的。裂纹形成后，进一步依靠 晶界滑动、空位扩散和空洞连接而扩展，最终 导致沿晶断裂。 由于蠕变断裂主要在晶界上产生，因此，晶界 的 形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大 小及晶粒度的均匀性 等对蠕变断裂均会产生很 大影响。 。 86 3.2.3 蠕变断裂断口特征 （ 1）在断口附近产生塑性变形，在变形区域附 近有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现象。 （ 2）由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化 膜所覆盖。 87 3.2.3 蠕变断裂断口特征 （ 3）蠕变断裂微观特征：为冰糖状花样的沿晶 断裂形貌。 88 3. 金属高温力学性能指标 3.1蠕变极限 3.2 持久强度极限 89 3.1 蠕变极限 为保证在高温长时载荷作用下的机件不致产生 过量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。 与常温下的屈服强度相似，蠕变极限是金属材 料在高温长时载荷作用下的 塑性变形抗力 指标。 蠕变极限有两种表示方式 : 3.1.1 以蠕变速率 确定蠕变极限 3.1.2 以总伸长率 确定蠕变极限 90 3.1.1以蠕变 速率 确定蠕变极限 在 规定温度（ t） 下，使试样在 规定时间内 产生 的 稳态蠕变速率（ ） 不超过规定值的最大应 力，以符号 表示。 在电站锅炉、汽轮机和燃气轮机制造中，规定 的蠕变速率大多为 1 10-5 h 或 1 10-4 h。 例如： 表示温度为 600 的条件下，稳态蠕变速率 =l 10-5 h的蠕变极限为 60MPa。 t M P a60600101 5 91 3.1.2以总伸长率 确定蠕变极限 在规定温度（ t）下和在规定试验时间（ ）内， 使试样产生的蠕变总伸长率（ ）不超过规定 值的 最大应力 。 以 表示。 例如： 表示材料在 500 温度下， 100000 h 后总伸长 率为 1 的蠕变极限为 100MPa。 试验时间 及 蠕变总伸长率 的具体数值是根 据机件的工作条件来规定的。 t / M P a1 0 0500 10/%1 5 92 以上两种蠕变极限都要试验到 稳态蠕变阶段 若 干时间后才能确定。这两种蠕变极限与伸长率 之间有一定的关系。 例如，以（ 1）蠕变速率确定蠕变极限时，稳态 蠕变速率 为 1 10-5 h，就相当于 100000h 的稳态伸长率为 1。 这与（ 2）以总伸长率确定蠕变极限时 100000h 的总伸长率为 1相比，相差很小，可认为两者 所确定的伸长率相等。 93 3.2持久强度极限 对于高温材料，除测定蠕变极限外，还必须测 定其在高温长时载荷作用下的断裂强度，即 持 久强度极限 。 持久强度极限 :是在 规定温度（ t） 下，达到 规 定的持续时间（ ） 而不发生断裂的最大应力， 以 表示。 t 94 3.2持久强度极限 例如 表示 该合金在 700 、 1000h的持久 强度极限为 30MPa。 试验时，规定持续时间是以机组的设计寿命为 依据的。 例如，对于锅炉、汽轮机等，机组的设计寿命 为数万以至数十万小时，而航空喷气发动机则 为一千或几百小时。 M P a307 0 0101 3 95 3.2持久强度极限 持久强度极限： 对于设计在高温运转过程中不考虑变形量大小， 而只考虑在承受给定应力下使用寿命的机件 （如锅炉道热蒸气管）是极其重要的性能指标。 持久强度极限： 是通过 高温拉伸持久试验测定 的。试验过程中，不需要测定试样的伸长量， 只测定在规定温度和一定应力作用下直至断裂 的时间。 96 3.2持久强度极限 对设计寿命为数百至数千小时的机件，其材料 的持久强度极限可直接用同样的时间进行试验 确定。 但对设计寿命为数万以至数十万小时的机件， 要进行这么长时间的试验是比较困难的。 97 3.2持久强度极限 因此，和蠕变试验相似，一般作出一些应力较 大、断裂时间较短（数百或数千小时）的试验 数据。 将其在坐标图上回归成直线，用外推法求出数 万以至数十万小时的持久强度极限。 98 3.2持久强度极限 下图为 12CrlMoV钢在 580 及 600 时的持久强 度线图。可见，试验最长时间为一万小时（实 线），但用外推法（虚线）可得到十万小时的 持久强度极限值。 如： 12Cr1MoV钢在 580 、 100000h的持久强 度极限为 89MPa。 99 4.影响蠕变因素及如何控制 由蠕变变形和断裂机理可知： （ 1）要提高蠕变极限，必须控制位错攀移的 速率； （ 2）要提高持久强度极限，必须控制晶界的 滑动。 100 这就是说：要提高金属材料的高温力学性能， 应控制 晶内和晶界的原子扩散过 程。 这种扩散过程主要取决于：合金的 化学成分 、 冶炼工艺 、 热处理工艺 等因素。 101 （一）合金化学成分的影响 位错越过障碍所需的激活能（蠕变激活能） 越高的金属，越难产生蠕变变形。 实验表明： 纯金属蠕变激活能大体与其自扩 散激活能相近。 因此，耐热钢及合金的基体材料一般选用熔 点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合 金。 102 这是因为：在一定温度下， 熔点 越高，自扩散 激活能越大，其自扩散越慢。 熔点相同，但 晶体结构 不同，则自扩散激活能 越高，扩散越慢。 金属材料 层错能 越低，越易产生扩展位错，使 位错难以产生割阶、滑移及攀移，这都有利于 降低蠕变速率。 大多数面心立方金属，其高温强度比体心立方 金属高， 这是一个重要原因。 103 在基体金属中加入 Cr、 Mo、 W、 Nb等合金元 素形成单相固溶体，除固溶强化外，还会使层 错能降低，易形成扩展位错，且溶质原子与溶 剂原子的结合力较强，增大了扩散激活能，从 而提高蠕变极限。 合金中含有能形成弥散相的合金元素，因弥散 相强烈阻碍位错的滑移，因而是提高高温强度 更有效的方法。 104 （二）冶炼工艺的影响 各种 耐热钢 及 高温合金 对冶炼工艺的要求较高， 因为钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的 持久强度极限降低。 高温合金对杂质元素和气体含量要求更加严格， 常存杂质除 S、 P外，还有铅、锡、砷、锑、铋 等，即使其含量只有十万分之几，当其在晶界 偏聚后，会导致晶界严重弱化，而使热强性急 剧降低，并增大蠕变脆性。 105 （三）热处理工艺的影响 珠光体耐热钢： 一般采用 正火高温回火 。 正火温度应高些，以促使碳化物充分溶入奥氏 体中。 回火温度应高于使用温度 100 150 ，以提高 其在使用温度下的组织稳定性。 106 奥氏体耐热钢或合金： 一般进行 固溶处理时 效 ，得到适当的晶粒度，并改善强化相的分布 状态。 有的合金在 固溶处理后一次中间处理（二次 固溶处理或中间时效）时效 ，使碳化物沿晶 界呈断续链状析出，可使持久强度极限和持久 伸长率进一步提高。 107 （四）晶粒度的影响 晶粒大小对金属材料高温力学性能的影响很大。 （ 1）使用温度 等强温度 TE 时， 粗晶粒钢 有 较高的蠕变极限和持久强度极限。但晶粒太大 会降低高温下的塑韧性。 108 5.蠕变实验 蠕变试验是在专用的蠕变试验机上进行的。试 验期间，试样的 温度和所受的应力保持恒定 。 随着试验时间的延长，试样逐渐伸长。 试样标距内的伸长量通过引伸计测出后，输入 到记录仪中，自动记录试样的伸长和时间 t的关 系曲线，即蠕变曲线。 109 测定蠕变极限、持久强度的试验装置本质上 是一种杠杆式静加载系统，在安装试样的一 端配置控制温度的加热炉。当需要测定蠕变 曲线和蠕变极限时，还需要配置高精度的变 形测量仪器和相应的高温引伸计，使试样在 高温下的变形被引伸到炉外，并精确地进行 测量。 110 加载方法为：在杠杆上设有分载荷，随着试 样的伸长逐渐移动分载荷。 蠕变试验装置原理图 111 蠕变试验装置实物图 112 持久强度试验： 蠕变断裂抗力判据是持久强度极限，即在一定 温度下和规定时间内不产生断裂的最大应力。 对于某些在高温运转中不考虑形变量、只考 虑使用寿命的构件，持久强度极限是重要的 设计依据。 持久强度试验同蠕变试验相似，但在试验过程 中只确定试样的断裂时间。试样断口形貌依 试验条件而异， 在高温和低应力下多为沿晶 界断裂。 113 持久强度试验： 根据一般经验公式认为 ,当温度不变时 ,断裂时间 与应力两者的对数呈线性关系。据此可用内 插法或外推法求出持久强度极限。为了保证 外推结果的可靠性，外推时间一般不得超过 试验时间 10倍。 试验断裂后的伸长率和断面收缩率表征金属的 持久塑性。若持久塑性过低，材料在使用过 程中会发生脆断。 114 持久强度试验： 持久强度缺口敏感性 qg是用在相同断裂条件下 缺口试样 与 光滑试样 两者的持久强度极限的 比值表示。 缺口敏感性过高时，金属材料在使用过程中往 往过早脆断。持久塑性和持久强度缺口敏感 性均为高温金属材料的重要性能判据 115 应力松弛试验： 在金属构件总形变恒定的条件下，由于弹性形 变不断转变为塑性形变，从而使应力不断减 小的过程称为应力松弛。 这种现象多出现于弹簧、螺栓以及其他压力配 合件 ,高温下尤为显著。因此 ,应力松弛试验通 常在高温下进行。蠕变曲线第一阶段持续时 间较短，应力随时间急剧下降。第二阶段持 续时间较长，并趋于恒定。 通常以规定时间 后的剩余应力作为金属应力松弛抗力的判据 。 116 应力松弛试验： 应力松弛试验可用来确定栓接件在高温下长期 使用时保持足够紧固力所需要的 初始应力 ， 预测密封垫密封度的减小、弹簧弹力的降低、 预应力混凝土中钢筋的稳定性 ，以及判明锻 件、铸件和焊接件消除残余应力所需要的热 处理条件。 对于用作紧固件的金属材料常在不同温度和不 同初始应力下进行应力松弛试验，以便对其 性能有较全面的了解。试验条件对应力松弛 试验结果影响显著。 117 参考文献 目前关于蠕变、应力腐蚀等专门著作比较少，比较经 典的论述有： 1穆霞英 .蠕变力学 .M.交通大学出版社 .1990 2日 金属材料的高温强度资料集 3褚武杨 .氢脆和应力腐蚀 .M.科学出版社 .2013 4中国防腐与防护学会 .力作用下的金属腐蚀 .M.化学 工业出版社 .1990 5姜伟之 ,赵时熙 ,王春生 ,张铮 .工程材料的力学性能 M.北京 :北京航空航天大学出版社 ,2000 6百度 . 118 119